（水工结构工程专业论文）波浪荷载作用下深水墩钢管桩施工平台动力性能研究.pdf

摘要 随着桥梁建设的发展，桥禁施工经常面临在深水中施王桥墩的情况，使现 有施工技术面临严峻挑战。作为施工临时结构的施工平台对深水墩施工的进行 纛饕至关重要熬馋翅。钢管接蕤王平台在整令藏工过程孛受筏多穆芬载穆耀， 这些外荷载的计算理论以及作用方式还并不为人们所熟知。在这些作用力中还 包括许多随机的渤荷载，计算和考察其整体以及局部的动力反应，预估熟破坏 状况，提出补强措施，确定经济合理的设计撼标和方法，鬈疑是有意义的。 善先，本文蕊结7 钢管靛壤王平台系擒分辑籀荸元模黧鞫整俸 冀模型， 采用三维空间杆系建立结构的然体计算模型；分析了波浪力的计算理论，并考 察了波浪力的不同施加方式的影响；对结构中的斜桩的波浪力的计算提出了简 化熬专露方法，势验证了箕准确性。 在第图章，究成了结构在髓视波浪力律爝豹动力响应分耩，获概率分析静 角度考察结构的焱哞= 度；进行了结构与水的耦合作用的定性分析，分析了附连 水质量和水动力阻尼对结构动力响应的影响，以及如何利朋这些影响因数达到 缭掬鹣合理设谤。 本文第五章，利用a n s y s 有限元程序模拟了多条随机波浪力的时闻历程旋 线，并利用这数时程f i l 线进行了结构的线性时程分析；对确定性波和随机性波 的分辑结果作了分拆比较。 最后，本文戮究7 藏工平念懿鸯振蔟率孩及振鳖分毒壤况；露旌工擎台各 组成构件( 平遗钢管、剪刀撑) 对结构动力响应的影响作了比较；分析了上部 纵横向贝雷架对结构整体刚度以及动力响应的影响。探讨了钢管桩施工平台的 王终径憨，绘鞋；了设诗建议。稷关结论可撰今蓐类叛工程魏设谤与藏工参考。 关键词：钢管桩施工平台，波浪力。谱分析，时程分析，幼力响应 日录 a b s t r a c t w i t ht h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to f b r i d g ec o n s t r u c t i o n ，b r i d g ec o n s t r u c t i o no f t e n f a c ew i t hb u i l d i n gb r i g ep i p e ri nt h ed e e p w a t e r i tm a k e sp r e s e n tc o n s t r u c t i o n t e c h o n o l o g yo f c o n s t r u c t i o nc o m p a n yo f o u rc o u n t r yf a c ew i t hg r i mc h a l l e n g e s a sa t e m p o r a r yc o n s t r u c t i o ns t r u c t u r e ，c o n s t r u c t i o np l a t f o r mm e a n sc r i t i c a li m p o r t a n c et o c o n s t r u c t i o no p e r a t i o no fd e e p - w a t e rp i p e ri nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s d u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h es t e e lp i p ep l a t f o r m ，t h e r ea r cm a n yf o r c e sa c to ni t , a n d p e o p l ea r cs t i l ln o tv e r yf a m i l i a rw i t ht h ec a l c u l a t i o np r i n c i p i u ma n dt h es t y l eo f w h i c ht h e ya c to nt h ep l a t f o r m o t h e r w i s et h e r ea r em a n yr a n d o md y n a m i cf o r c ea c t o nt h ep l a t f o r m ，s ot h e r ei sn od o u b tt h a tw es h o u l dc a l c u l a t et h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h ew h o l es t r u c t u r ea n dt h el o c a lp o s i t i o n ，e s t i m a t et h ef a i l u r em o d ed a m a g e c o n d i t i o n 。p u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r ea n dd e t e r m i n et h ee c o n o m i c a l d e s i g nm e t h o d t h ee l e m e n tm o d e ia n dc o m p u t e rm o d e lo ft h es t r u c t u r ei sa n a l y s i s e d ，a n dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lb e a me l e m e n ti sa d o p tt ob u i l dt h ec a l c u l a t i o nm o d e l t h ea u t h o r g i v et h er e a s o n a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h ew a v ef o r c ea n da n a l y s i st h ei n f l u e n c e o fd i f f e r e n tm o d eo fa c t i o no ft h ew a v ef o r c e s i m p l i f i e dm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h e w a v ef o r c eo f t h eo b l i q u ep i p ew a sg i v e n i nc h a p t e r4 ，t h er a n d o md y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sb a s e d0 1 1t h ew a v ef o r c ew a s m a d e t h ec a c u l a t o dd y n a m i cr e s p o n s ew a sc o n s i d e r dt ot h ec o u p l eo fs t r u c t u r ea n d w a t e ri nt h ea c t i o no fw a v ef o r c e n ei n f l u e n c eo ft h eh y d r o d y n a m i cd a m ea n d a d d i t i o n a lw a t e rm a s so nt h er a n d o md y n a m i cr e s p o n s ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed y n a m i ci n f l u e n c eo ft h ew a v ef o r c es h o u l db ec o n s i d e r e dd u r i n g d e s i g n i n gc o n s t r u c t i o np l a t f o r m i nc h a p t e r5 ，w i t ht h eh e l po ft h ea n s y s f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m m i n g , a u t h o r s t i m u l a t em a n yt i m eh i s t o r i c a lc u r v e so fw a v ef o r c e t i m eh i s t o r i c a la n a l y s i sb a s e d o nd e t e r m i n i s t i cw a v ef o r c ea n dr a n d o mw a v ef o r c ew a sm a d e t h ec a l c u l a t i o no f r a n d o mw a v ef o r c ea n dd e t e r m i n a t ew a v ef o r c ew e r ec o m p a r e d 曩录 l a s t l y , f r e q u e n c i e sa n dm o d e so f t h ep l a t f o r mw a sa n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c eo ft h e c h o r d sa n db r a c e so l lt h es t r u c t u r er e s p o n s ew a sm a d e o t h e r w i s et h ew r i t e r r e s e a r c h e dt h ee f f e c to f | l l eb e i l e lr a c ko nt h ew h o l es t r u c t u r es t i f f n e s sa n dt h e d y n a m i cr e s p o n s e o nt h i sb a s i s ，c o n c l u s i o na n dd e s i g ns u g g e s t i o n s a l ep r e s e n t e d i t c a n b e r e f e r e n c e d i n f u t u r e f o r t h e d e s i g n o f a p p l y i n g t h i s k i n d o f s t r u c t u r e k e yw o r d s ：s t e e lp i p ec o n s t r u c t i o np l a t f o r m 、w a v ef o r c e 、s p e c t r u ma n a l y s i s 、t i m e h i s t o r i c a la n a l y s i s 、d y n a m i cr e s p o n s e i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文储签名房耻譬 一瘢卫生 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 躲房础日 9 ；月1 日 | 第一章绪谂 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 近年来，在我嗣建设事业飞速发展的促进下，我嗣兴建了一大批特火犁桥 粱，在辑粱工程豹砉鑫工_ 蓬摇孛经常瑟貉跨越瑟流，盎深承巾施工耢墩豹臻戆。 解决这一难题的关键是如何搭设深水墩施工平台以及如何保证其在施工过程中 的艇体安全性。特别是，深水桩基础施工平台是一个临时性结构，所处的环境 嗣陆地建筑物援魄有很大的不嗣，其设计、施工，监测等避程与一般的永久性 建筑存羞本质的隧麓。 施工平台受风、流、浪铃悲劣自然环境作用，平台自振周期又往往匈环境 外力的典型振动周期相近。其窳，深水桩基础施t 甲台同海洋工程中的导管架 平螽饕零类 娃。多年来，黯导蟹架平台实际搜用表臻，正怒这些箨翅在影台土 的黧复性的恶劣荷载，使海洋平台破坏的事故不断发生。1 9 6 9 年3 月8 掰，原 海洋石油勘探指挥部海工钻井平台在特大海冰钻井环境条件作用下，被冰捧翻； 1 9 8 0 年在挪威发生的事故，一废五条腿钻井蟒突然倾倒，2 0 分钟后全部倾覆， 2 1 2 天孛1 2 3 久丧垒；薤季l i 鑫掰j 墅岛油田孛一b - - 号平台为控蒸菲灌浆壹耱茂等管 架平台，自1 9 9 8 年3 月投产以来，其超常态振动问题日渐突出，特别是张冬季 风浪较大对，过火的振动令平裔工作人员恐慌不安，影响平台正常生产，被列 为哮| 国石油化工爨透公司的+ 犬安全隐患之罄，不褥不进行安全整治。如何保 诞施工平台的安全已经成舞一个必须考虑静瀚瑟。 随着建造平台的水域越来越深，平台的动力响应越来越引起设计者的关注 因为当外激励荷载的控制频率正好达到或接i 匠平台结构的姻有频率时将引起比 黪爱移太搿多约动力响应。海洋乎台捧舞蠢演舞采捧受用瓣海工建筑携逑玲不 藩，桥梁工程中豹钢管桩施工平台作为国家蕊火工程中的部分，其羹鬃性也 不宙而喻。为了保证其设计的发全、经济、含理，正常施工建造后能抵御恶劣 自然环境的侵袭，同时保证平套的振动在工作人员可承受的范围内，必须对平 螽缝掏往链敲察充分嚣蓊究。貉子海洋平爱皴嚣遥戒螽采重，藿赛备鬻鄂在 对海洋平台在特定环境条件下的动力的各种特性进行深入系统地研究。擞说， 桥粱桩基础旌工平台所处环境没有海洋平台那样恶劣，但也受风、流、浪等恶 第一章绪论 劣自然环境作用，为了避免出现海洋工程中的重大事故，因此有必要对桥梁桩 基础施工平台的结构动力特性作进一步的研究。 1 2 深水墩施工平台的力学特点 桥梁深水墩施工平台主要有以下一些特点： ( 1 ) 影响因素众多。由于施工平台为施工临时结构且处于深水区，它区别 于永久性构筑物，所以它的设计受剑可行性、水位变化、周期、旌t 工艺以及 经济效益等众多因素的制约。修建于近海的还要考虑海潮、波浪、台风、海水 腐蚀等环境因素。 ( 2 ) 平台必须在水中或水上搭建施工，平台的搭建施工很不方便。 ( 3 ) 由于施上平台为施上临时结构，所以其状态处在小断变化中。平台上 有大量的施工设备和人员，荷载处于不断变化的状态，特别是由丁钻机钻头施 加于地基的钻力而产生的反力处于不断变化的状态有的施工平台由于施- 工 艺的要求，在施下过程中施t 平台的形式会不断变化，在整个施丁过程中，己 浇筑的桩的刚度和强度还在不断变化。这样一种由未完成的桩及旌工平台系统 组成的暂态结构，常常是危险的。 ( 4 ) 深水墩施工平台与海上采油平台等水上建筑一样。桩身和竖向的管桩 穿过水流和土层。它既要承受上部结构的荷载，又要受水流、风浪的冲击和桩 周土的作用。所以实际上，平台、群桩、水流、土体相互作用构成了平台群 桩一水流一士体系统”1 ( 5 ) 对于同定式的深水墩施工平台，由于竖向钢管桩的竖向尺寸远大于截 面尺寸，实际为细长薄壁杆件，所以整个平台的竖向稳定问题尤其重要，进而 钢管的屈曲分析不可或缺。 ( 6 ) 施工平台是钻机等施工设备的工作平台，为了保 i f 施工精度，必须控 制平台的振动幅度在允许范围内，这也是施工单位的关心问题。 1 3 施工平台的分类跚 施工平台是为深水桩基础施工服务的，其构造和形式也需要随桩基施工的 环境因素( 如水文、地质、气象等) 、桩基的规模以及具体建设条件的不同而改 变。因此，桩基施工条件的不确定导致了施工平台类型的多样性，并且随着深 2 第一章绪论 水基础的迅速发展其类型也在不断的翻新。总的来说，深水桩基础施工平台分 为固定施工平台和浮动施工平台两大类型。 固定施上平台按构造形式可分为支架施上半台和围堰施工平台。支架施- 平台按支撑桩材料可以分为木桩施工平台、钢筋混凝土桩施t 平台和型钢、钢 管桩施工平台等；按组成平台的构造可以分为型铡平台、桁架平台和型钢及桁 架组合平台；按平台的受力方式町分为钢管桩单独承力、钢护简单独承力、钢 管桩和钢护筒共同承力三种类型围堰施工平台包括钢套箱围堰施工平台、钢 板桩围堰施工平台、浮运薄壳沉井施工平台。 固定施工平台的优点为：结构简单，相对固定，在成孔过程中对成孔质量 有保证缺点为：周转材料使用多，周期艮，平台构架和定位桩的拆装比较费 时；且因平台构架均在施- 丁水位以上，桩的自由长度较长，刚度较差，有“头 重脚轻”之弊。当平台受到较人水平力，如风力，水流冲击力等或是冲刷较大 时，平台容易失稳。 浮动施工平台是深水中完成钻孔桩基础施工的一种简便而有效的方法。它 是指利用水上设备( 民用船舶或工程浮箱) 以及军用器材等搭设作业平台进行 钻孔桩基础施工的方法，适用于水流较平稳、波浪小、流速不大、通航压力较 小的河流中深水钻孔桩基础施工。按构造形式分为浮船、六七式标准舟节、浮 箱等。 浮动施工平台的优点为：结构简单、架设较为简单；可充分利用制式器材， 方案灵活性大：投入施工快，显著缩短周期：容易改装成套箱拼装下沉用平台， 能节省大量时间；受潮汐水位变化的影响小，抗洪能力强。平台可随水位上浮 下沉，在涨水时能继续在平台上进行其他相关操作，有利于保证施工进度缺 点为：占用较多的水上设备和器材；占用较多河道，一定程度上影响通航，在 河道通航繁忙、流速较大的河流中设施比较困难；定位需要较庞大的锚锭系统； 钻机施工过程晃动大，钻进效率低，且不能适应大扭矩、大功率的回旋钻机。 1 4 国内外深水墩施工平台体系的研究现状 施工平台作为大桥施工的临时工程项目，辅助桩多选用钢管桩，桩基设计 安全度的掌握很重要。从临时工程上讲，安全度要降低一些，要节省费用，但 作为国家重点工程建设又必须确保安全，因此在桩基工程施工平台的设计中， 3 第一章绪论 要对所掌握的基础资料进行认真的分析研究。目前在土木工稃中对施工平台的 研究主要集中在以下两个方面： ( 1 ) 平台施上过稃中施工技术的探讨。文献 4 9 介绍了平台施工过稃中 的关键技术以及施工过程中的安全监测等有关问题。文献 1 0 1 1 从施工的 角度阐述了不同形式的旌工平台的优缺点以及其适用条件。 ( 2 ) 平台在施_ 【过程中的受力分析。文献 1 2 分析了钻机单一荷载丁况下平 台的受力分析。文献 7 就平台施工过程中船舶碰撞的冲击荷载作用下的位移响 应作了分析。文献 1 3 认为波浪对于桥梁基础施工的过稃有着很大的影响。但 就波浪力对结构的作用而言也仅仅局限在静力分析的范畴。 通过查阅文献资料可以发现，目前对于桥梁施= 平台的研究大多局限在施 工方案、施丁技术的层面，平台的受力性能研究较少，而对于其整体受力特性 的研究则更少；对于平台的受力分析大多局限在静力分析的层面，而关于荷载 对甲台动力响应影响的分析则几乎没有。 施工平台传统的设计方法是平面设计方法。存整个平台的设计中，将结构 离散为不同构什进行单独的平面分析，主要考虑施工平台成台之后最不利施工 荷载组合作用下基础的承载力、平台纵横梁的承载力是否满足要求以及整个平 台的稳定性，同时也针对平台施j 二过程中插打钢管桩以及下沉钢护筒等工况验 算。验算工况内容见表1 1 。 表1 1 桩苯施工平台验算工况 序号t 况平台形式验算构件 l 插打钢管桩单桩单桩 2 f 沉钢护筒钢管桩+ 纵横粱横粱 3 钻机施钻 成台( 钢管桩+ 纵横粱+ 钻机走道) 横粱 4 钻机施钻+ 下放钢筋笼成台( 钢管桩+ 纵横梁+ 钻机走道)纵梁、支承桩 文献 3 指出：随着桥梁建设规模的大型化，其深水桩基础施工平台的构件 形式日益复杂、构件数量逐渐增加，而且作用在甲台上的各种外荷载也千变万 化，而采用平面计算方法进行施工平台的设计，必然对平台结构整体力学性能 的全面把握显得“力不从心”。另外，为了满足安全性的要求，传统的设计往往 采用较大的安全系数，造成材料的浪费。列时大型桥梁中应用的钢护筒簏工平 台，其刚度是随着钢护筒的打入与连接而逐渐形成的因此，在整个施工过程 中钢护筒所累积的变形是否会影响钻孔桩施工精度是首要研究的问题。近年来， 4 第一章绪论 有限元理论和计算机软件、硬件的快速发展使得对施工平裔结构进行整体仿真 分析成为可能，平台的空问形成过程有限元方法已经崭旃头角，即对施工过程 孛誉完整豹孚螽绥稳在援瘟豹举翻劳载工嚣下进露分撬计算，褥窭平台形成过 程中刚度的变他规律，以指譬设计与旌工。因此，对施_ e 带台结构的设计计算 方法应该是：在预先估算确定结构截面尺寸的基础上，借助有限元通用分析程 序，建立平台空阙结构模型，然后根据各种不同的t 况施擞外荷载，设逝边界 条徉遗行圣| 算，檄据平台整体强瘦窝尉瘦弱婺求，不薮爨俄绥孝每秘律戳及结椽 形式，以达到蜜众、经济、适用的目的。因此说，通过有限元方法进行熬体结 构的三维空问力学性能的分析将成为施工平螽结构分析的主梁方法。 另方薅，我们知道，施童擎台绣处豹繇境同蘧建建筑物握毙，鸯缀大熬 不阐。施t 平螽受风、流、浪、鲍震等恶劣巍然环境俸餍。平台自振周麓又往 往与环境外力的媳型振动周期相近。在这种情况f ，除了必须对结构作静力分 析外还必须考虑结构的动力效应。经验表明即使采用一系列指定波高和周期的 设毒 波终为薄载，携然不是绫瓷分反疆蓑载瓣复杂毪。鍪予棼载豹夔撬援，秀 获褥结构的位移和内力响应使、最大可能期勰值，及估计结构物的动力w 靠度 和结构使用寿命锌等，有必要在对结构作静力或确定性分析的同时，采用海浪 诺对络构作随飒搬动分析，以期获褥更为精确的结果。 文献 1 铂对海洋平台诲系麴旨蔽元分轿巾，指窭结秘麓霹靠度分耩耱霹痿 性很大程度上取决于环境资料的收集、统计与分析对海洋平台结构动力可靠 度分析而言，确定风，浪、水流等的共同作用，建立它们之间的联合概率密度 薮数以爱档应懿落菊数，是缀露磺究必要豹。文麸【l s 采趱a l g o r 有袋嚣分辑 稔膨对桶基翰探平台进行静力分析。选取粱、板，壳和块体萃元组合成三维计 算模型，为了模拟桶一土体间棚互作用，将桶基周围土体尚平台一同建模，并 在土体边界施加约束 综上震述，凌授粱桩基稳攮芏孚鸯结稳豹疆究孛，嚣聚餐耋磅究嚣令努蘧 的工作。一是进行平台的空间结构模型分析；= 是环境掇料的收集、统计与分 析，以得到更为糟确的结果 1 摹莺内舞海洋平台体系的研究瑗状 实际上，深水墩的施工平蠹和海洋平台中的导管架平台有很大的相似性。 第一章绪论 l | 爨鉴海洋工程巾慰海洋乎螽戆硬究对予我妇硬究深隶墩施工乎台髂系棼誊毒 益。 对予海洋平台劝力响应的研究，崮内外均作了不少的上作，获得了一些有 益戆戒莱。综蕊：i 窭魏年来静磋突，霹袄淡下蔻方鬻麓鞋壤菇。 1 5 1 计算模型的选择 鬏据讨论熬鼙懿不滴疆敦受诗算芋羧愆袋裁，霹瑷葶錾乎螽怒理舞攀鑫蠡痊 系统、多自由度系统及三维空阃杆件的结构系统等。p e n z i e n “”将刚框架结构离 散成有限元模型，构件的质爨集巾在节点，泥蕊处作为固定支庵处理，选取 二缝诗算模型对平螽避行动为分析。 k a p i l ”在求凹腿塔架平台对波浪的动位移响威时，将结构离散成单自由度 模型。朝痒为一个熬臂结拇表毒寸论平台位置处的嘲废。国巍黪大连理工大学工 程力学研究所，在对海洋平台的随祝响应分祈中采用了三维空间秆系结构“”。 这样的模测能比较准确的计算响应值，但对计算方法的选取摄关重要，而且比 较费爵。 上述资料表明，对于不同的目的，选用不同的计算模型，可以得到比较满 意的结累。 5 2 衙载工浣分析 海洋平台结构复杂、体积庞大，特别是与陆地结构相比，它所处的海洋环 境分复杂帮恶劣，承受多释淤对翅和窝藏变讫豹辍楹蘩载，包菇风浪、海流、 海冰和潮汐等，同时还受地栽作用的威胁由于要求在深水、恶劣的波浪条件 下建造缀济的平台，首先要褥剃设计瑟载的临界镳霉。当平螽建在深水时其隧 有频率躐小了，雯容易被水流和波浪耩激发，当濑溺豹开发臻求海洋结构物在 深水中进行时，涡流脱落就可能产生显著的振动反应。在极端波浪条件下，波 浪搀越避平台甲叛，芝部结构纛l 起绩橡懿破坏黍l 波浪馋鼹力豹增加，麸覆导致 簿洋平台结构出现超载而发生倒塌。极端波浪作用问题已成为海洋平台结构承 载力极限状态分析的霪要问题。 在警叁瑟瑟海域羼予重熬嚣戆倩撼下，海豫澍擎台夔玻环箨委氇登矮热敬 考虑。国内曾发生多起海冰推到海洋平台的事故。缀过3 0 多年来的研究，适合 我国海域的设计冰赫载问题基本上解决了。最初，假定海洋带台是刚体，以静 6 第一章绪论 力或准静力的方式承受设计波浪荷载，对浅水区平台这仍是一个合理的方法， 但对更深水域设计的平台，此假定就显得不尽合理。在波浪引起的水流涌动期 间，结构及其构件可能随水流运动作相对运动。波浪一结构相互作用显示了由 于波浪引起的水动力荷载作用下，结构响应的相对运动。随着石油工业的发展， 通常要在比较恶劣的海域建造各种平台，以适应海上钻j 采油作业的需要，而 且这些甲台设计，波浪力往往是设计控制荷载。在以符的设计中，一般都把随 机的波浪作为规则波来处理，以此求出作用在平台结构上的最大外力，然后根 据静力的方法计算结构构件的应力，来评价结构的安全度，实践证明，波高最 大的波并不一定是引起平台内最大应力的波，那些频率与平台结构自振频率接 近。波高较小的波在接近其共振点时，则结构变形增大，此时结构可能处于危 险状态。这表明，对平台结构设计而言，仅仅考虑静力效应是不充分的，而需 考虑动力作用对结构的影响，进行动力响应的分析。 1 5 3 流、固体耦合作用分析 由于流体一结构一土体之间的耦合，预测海洋平台在波浪或地震等环境荷 载作用下的动力响应，存在着一系列非常复杂的问题。1 9 7 6 年 o v e a r u p # p a r t n e r s “”建立了一个近似方法，用它可以求得波浪随时间历程的反 应，联合的频率取决于波浪和基础两方面的效应，这是基于离散f o u r i e r 变换的 运用，以类似的方法用来分析地震的反应问题。但该方法的难点有：( 1 ) 在时域 分析中没有一个频率与基础特性相关的简单方法，因为基础的阻抗包括波浪激 发有关的频率范围都是相当不敏感的，只有在最小振型中才是合理的；( 2 ) 实际 上力函数本身取决于频率容量和波列的振幅，因此，它不可能在结构不同部分 的力密度函数与海平面随时间变化之间，产生一个简单关系式。海浪的随机性 意味着要获得工程问题一个适当统计结果，必须进行多方面的分析海况用能 量密度谱表示，但为了得到反应谱就必须使用一个线性传递函数 m a l b o r t a 和p e n z i e n o ，对平台结构的动力反应和环境荷载的藕合进行了 一系列研究。在他们的推导中认为：分析的初始部分，结构运动方程可以用相 对运动动力学的形式表示，粘滞拖曳力项的线性化会导致非线性阻尼或散射阻 尼项作者用最小二乘法线性化了阻尼项之和，并要求将相对速度的均方根的 迭代解析作为求解程序的一部分数值方法列出了一系列控制方程能用于求 解包含流体一结构相互作用效应的结构响应。另外，作者也考察了这种相互作 第一章绪论 用对极值统计预测的影响。后来由p e n z i e n ，k a u l 和b e r g e ”将这个理论推广运 用剑强地震运动和疲劳剧期分析。b e r g e 和p e n z i e n “4 提出了遭受定向海浪的三 维框架结构的随机响应分析方法。该方法的贡献在于引入了有限元分析程序。 在分析程序中r b b o r g e m a n 发展的一阶线性化方法是分析程序的标准部分，而波 浪环境则采用正则扩展函数修正的p i e r s o n 一8 0 s k o v i t z 谱。这项工作研究了平台 响应对定向海浪的敏感性问题。d u n w o o d 和v a n d i v e r ( 1 9 8 1 ) ”发展了考虑高阶 近似的非线性拖曳力的随机波浪一结构相互作用公式，他们提出了考虑粘滞阻 尼力的功率系列近似的严格理论方法，其系数可用最小二乘法求得，并使用高 斯缩减技术以减小谱舢阶次。k a r e e m ，h s i e b 和t o g n a r e l l i ( 1 9 9 8 ) o ”分析了海 洋平台在非高斯海况中的响应，特别比较了深海导管架平台在高颠和非高斯分 布波浪荷载作用下的概率响应特性。还计算了作用于理想化平台的荷载二阶项 贡献对甲板响应的影响。除了风生成的波浪，也考虑了波浪冲击的影响。除了 运动转换和著名的m o r i s o n 方程的广义形式，将波浪一结构相瓦作用引入海洋平 台的分析之中，在分析其受力函数时，发现控制方程中有非常重要的两项：第一， 是附加质量项；第二二，水动或发散阻尼是受力函数中的牯滞拖曳力线性化的必 然结果。一般说来，附加阻尼项可用标准近似方法，而水动力阻尼在响应计算 中，可通过迭代方法获得。动力响应预测可在时域或频域中获得。时域模拟有 易于解决任何非线性问题的优势，但是，当对待与海洋波浪环境相关的长时间 历程时，计算技术的效率非常低，频域模拟计算上是相当吸引人的，但是广义 上只限于线性结构的动力问题。 由于地基的柔性和无限性，使得按刚性地基假定计算出来的结构动力特性 和动力反应与将地基和结构作为一个整体计算出来的结果有所不同，因此有必 要考虑土一基础一结构相互作用的影响。结构一土动力相互作用问题的研究， 最早源于r e i s s n e r ”1 关于弹性半空间表面刚性圆形基础振动特性的研究；到2 0 世纪5 0 年代许多研究者获得了圆形和矩形基础在应力边界条件下的平移旋转和 扭转的瞬态和稳态解析解；到6 0 年代中期，p a r m e l e e 初步揭示了惯性动力相 互作用的基本规律；7 0 年代以前关于土一结构相互作用的研究主要以机械基础 作为研究对象，将基础简化为刚性无质量体系研究地基的动力阻抗特性，研究 方法多以获得一定边界条件下的解析解为主。7 0 年代以后，研究方向转向数值 解为主，如有限差分法、有限元法、边界元法海洋平台桩与土壤耦合在一起， 桩要靠其周围的土体来维持平衡而土的抗力性质是非线性的，因而桩一土作用 繁一章缝论 也属于非线性阀膊。由于非线性系统不能一次确定力和俯移的关系，其冈0 度矩 晦必须通过迭代解决。土壤的抗力性质一般戆由土壤p y 曲线来确定的，土壤 尹一y 瑟缓是按照a p l 魏莛豹要袋建实测资粒袋缮。秀t 栗震鸯辍元方法分瓣海洋 平台，土壤模拟成弹簧的形式黜“，而弹簧的性质就取决予p y 曲线。薄其体 计算过程是：先将p y 曲线稍加处理，因为采用有限元方法把桩模拟成一段粱单 元，两梁上豹土壤反力集中在掰端节点上。将p 值乘以桩径和粱单元长度，形 戒掰p y 馥线，这嚣| 裁霹进孬线性佬处瑾了。 早在2 0 世鳃4 0 年代，r j c e 研究了动力反应与某一固定限值交叉的问题， 首次建立了在给定时阃内交叉次数及其期望姻数学表达式，先后提出了两个关 予髓次超越摄攀媳公式。其中一个是用级数袭达翡，另一令为菲掌复杂的多重 积分。r i c e 的遮一嚣献为首次超越破坏的动力可靠性璎论葜定了基础。从四十 年代到六十年代，研究重点在于针对荷载谱为臼噪声或近似白噪声，讨论单自 南度俸系平稳反威过程的动力w 靠性问题。进入7 0 年代以膝，动力可靠性理论 豹笈震主要集每在各静裴线熬俸系弱动力霹冀挂嚣葬方滚及工程实际纛耀。 1 w a n 和g a t e s ( 1 9 7 9 ) ”1 对单自出发谁线性结构体系受地震作用时各种等效线性 化方法的精度作了评价，并提出了建立最优线性化体系的府法。 b l a k e 和l i n d s e y ”对零均僮平稳随机避程，在反疲服从g a u s s 分布的条件 下褥到了穿越分轿的篱要表达式。总之，确定酌耪疆瓠囊懿分撬研究秀滚虽然 都有了进展，但并没有被广泛应用。随着研究向深水推进，海洋平台结构动力 可靠性研究的各种状况，目前磁在发生改变。最需要的是发展可靠的、简化的， 餐辑琴绘出舂豢义熬设谤结募瓣方法。读瓤续祷魏鲑壤瓣测度，阻力效瘟熬 线役亿等等因素反映的参数瑟敏度，发表的爨辩禳有限。简而言之，已有的这 热分析方法在应用方面还缺芝缀验。 1 。5 4 计算方法豹选择 海洋甲台耩予无限自由度同题，为了工襁实际应用的浠要以及获计算的可 能性出发，必须对平台的自由度加以缩减和简化。现在最广泛使用的仍烧有限 元方法。如前撕逡，出于不同瀚考虑羁的，w 以将计算模擞作相应的简化。分 裁秀法慧俸上说努为嚣域法窝簇域法。在颡城孛霉菇方矮魏考虑霞弼务耱缝疆 方法，如子结构法，但频域中有不易处理非线性问题的困难。时域中有翁于解 决任何非线性问题的优势，但计算效率低。谯平台波浪力计算时，有两个不同 多 第一章绪论 于经典动力学的问题存在：第一是附加质量项，第_ 是水动阻尼即力函数巾的粘 滞拖曳力项线性化后的结果。这两个问题使得海洋平台动力分析足一个非线性 的问题。即方稃阻尼项不能通过实模态方法来解藕，返给求解带来麻烦。一般 不能得剑封闭解，只能运用各种近似的解法求解。 6 本文主要工作 由上述总结分析可以看出，钢管桩施t 平台在桥梁旌工过程中是一个非常 重要的组成部分，多年来对其研究都取得了很大的成果，但也存在一砦问题， 即结构的整体受力分析研究较少，特别是在一些动力荷载作用下其动力特性的 研究还不完善。 本文结合实际工程，考虑到日前所存在的问题，主要抓住西个重点，一是 从整体角度出发，研究施工平台在随机性动力荷载作用下的动力响应；二是从 结构设计的角度，根据结构的动力性能，研究如何通过结构的选型以及合理布 置来达到结构的优化设计，减小其动力响应。 i o 筹二牵波渡理论及滚滚力诤算 第二章波浪理论及波浪力计算 波浪理论的研究经历了确定性波向随机性波的过渡。舰女q 波理论主鞭包括： 微幅波理论( a i r y 理论) 、s t o k e s 波理论、椭圆余弦波理论锋。微幅波理论( a i r y 瑗论) 是应用势秘数来磅究波浪运动豹一釉线槛波浪理论，是波浪理论中最基 本、最重要的内容，也是近海王翟中应用静簸为广泛的部分。s t o k e s 渡理论楚 荚阉流体力学家s t o k e s 在1 8 8 7 年得到的，在波浪理论中占有重要地位，近海 工程计算常采用商阶s t o k e s 波应用于最人波的计算。s t o k e s 波没有计及水深变 鼗j c 雩绩莱豹影确，只透露于艇承海熬蟪况，鼹予浚承誉褥逶矮。獯爨余弦波 联论最早是在1 8 9 5 年由k o r t e w e g 与d ev r i e s 提出，其后由k e u l e g a n 及 p a r r e r s o n 、k e l l e r 、l i t t m a n 、w i e g e l 等人进步研究使之适用于工程实践。 2 1 确定性泼演理论一徽瞩渡( a ir y 浚) 理论嘲 微幅波是种简化了的最简单的波动，熊水面呈士见简谐形式的起伏，水质 点以固定的圆频率甜作简谐振动，同时波以嗣定的速度c ( 称为波速) 向前传 撩，敬滚孛线( 擎分渡裹躲孛线) 与羚承瑟黧会，冕强2 ，1 。一般来说，海洋孛 燕际发生的波动酃不能用简单的波动来橘述，但分析这种簸简单的波动，对解 决较复杂的波动问题仍十分必舞。它是研究较复杂的有限振幅波和随机波的基 勰。 x 节。4 啦一矗) 鞋7。撬了尺拇境夕夕、 ， 、蕊一彩，一t p 蕊b 么， 心一 d 羽2 + 1 小振幅波豹剖面图 1 l 第= 章波浪理论及波浪力计算 2 1 。1 ：维小振拯推进波的假定 ( 1 ) 流体是光粘性不可藤缩的均匀流体； ( 2 ) 流体作有势的运动； ( 3 ) 重力是罐一懿终力； ( 4 ) 流体自m 表面上的雁强等于火气压强； ( 5 ) 海底为水平的固体边界： ( 6 ) 波幅或波商相对予波长是无嘏小，流体藏点的运动速度是缓馒豹。 小振幅波理论燃根据以上假定而得到的。按( 6 ) 假定。波动的自由寝面所 雩l 起的嚣线性影响霹戬忽略，即非线性戆鑫圭表囱运动边赛条馋可以簿托为线 性的自由表面边界条件。 2 1 。1 1 波面方程的假定 常深度二维小振幅推进波其波碰高度j 7 瓴0 相对于x 或相对于t 作周期性的 变化，并且波形以一定速度c 淞j 向传播。这种特性不限于水蕊，水体内部的质 蠢运动纛矮袁这秘褥缝，灵不邂隧羞深瘦豹璜搬瑟逡速减，j 、纛基。 设常深度二维小振幅推进波的波面方程为： ，7 ( f ) = 口c o s ( 舡一m f ) ( 2 1 ) 式串球为振辐，两倍静振搦即为波商嚣，奴一搿为波浪的襁位。其中常数露和 甜的确定如下所述； ( i ) 当善增减个渡跃上辩，波螽藏度应该誉交，鲡霆2 。1 囊示，这裁使 舡= 2 7 r ，故 肿 l = 兰( 2 2 ) 其中后称为波数。 ( 2 ) 当时间每增减一个周期r 时， 腰f = 2 霈，放 2 筇 0 3 = 一 r 同一点的波面高度疗应该不变，即 ( 2 3 ) 廖称为波浪豹颡频率。 显然，波形的传播速度c 岛波数七以及波浪的圆频率搿之间有如下关系； 第二牵浚渡理论及波滚力谤算 工珊 c = 一 r七 2 。l 。2 = 维参振耩推进波薅一磐特性 2 1 2 1 波速与波长 波速等于波长除以周期， 据速发势理论褥到下式： 珊2 = k g t h 材 ( 2 4 ) 或等于波浪圆频搴除以波数。除此以外还可以根 ( 2 5 ) 佬表明圆频率掰和波数量之间的关系。 测羯式 1 0 5 毒时 s j y ) = 0 0 8 2 4 娶t 1 5 2 2 - 0 2 4 5 p + 0 蚴2 ) 专 ( 2 3 2 ) 第二章波浪理论及波浪力计算 p = 9 5 3 冬季，1 5 4 _ p 6 7 7 ，( 尸一谱尖度因子) j j 波高水深比应满足式：h ：0 6 2 6 h ”3 0 1 盯 日一波高水深比的一个参数；d 一水深 5 谱模式的比较和分析 海浪谱是合理计算海浪对海上水工建筑物作用力的重要依据。迄今为止已 提出多种海浪谱，其形式尚未统一，各种谱给出的结果之间差异较大。因此， 在目前的实际应用中，应该重视海浪现象的研究，以期得到适合于海浪特点的 海浪谱模式。 廖康明等啪1 通过对泉州海湾大量实测资料进行统计分析，比较了各种海浪 谱后认为对于泉州湾海域，j o n s w a p 谱符合程度最好，其次是文氏谱。王云天 等”选取了东海的以及黄海的千里岩、成山头、小长山六个代表性的观测站资 料分析后认为，就工程上常用的谱公式而言，文氏谱更适合于中困沿海，且以 有效波高和有效波周期为参数于实测谱的拟合更好。 另外，国内其他的一些研究“m 1 均表明对于我罔海域文氏谱的理论 结果与实测符合的更好，而且具有以f 优点：计算比较简单，拟合观测结果方 便，适用于深水合浅水两种形式。而j o n s w a p 谱只适用于深水形式，并且其中的 一些观测参数很难确定。 苏通大桥处于长江中下游，东临黄海，地处长江河口段中纬度地带，水深 较深，河床高程一般为- 1 4 3 m 一心0 m ，最大水深达一2 1 4 n l ，并且局部冲刷较深。 期间海浪谱的形式应为深水谱。综上所述，本文在研究波浪作用中所采用的海 浪谱为规范规定的文氏谱。 2 3 小尺度结构物波浪力计算 在海洋工程中，不论是钢质桩基固定平台、各种形式移动式平台，还是具 有大型基础的莺力式平台，在设计波浪情况下，基础( 沉垫) 和支撑结构( 立 柱) 都承受强度相当大的波浪力作用。所以，波浪力是作用在海工结构物上一 项主要外力。 波浪对固定式结构物的作用不外有以下四种效应： 第二章波浪理论及波浪力计算 ( 1 ) 由于流体( 海水) 的粘滞性而引起的粘滞效应； ( 2 ) 由于流体的惯性以及结构物的存在，使结构物剧罔的波动场的速度分 布发生改变而引起的附加质量效应； ( 3 ) 由丁结构物本身对入射波浪的散射作用而产乍的散射作用； ( 4 ) 山于结构物本身的相对高度( 即结构物高度与工作水深之比值) 较大， 结构物与自由表面接近扰动了原波动场的自由表面而产牛的自由表面效应。 其中散射效应和自由表面效应总称为绕射效应。对于与入射波的波长相比， 尺度较小的结构物，例如孤立柱桩、水下输油管道等，此类结构物的存在对波 浪运动无显著影响，波浪对结构物的作用主要为粘滞效应和附加质荤效应。然 而，随着结构物尺寸相对于波长比值的增人，例如平台的大型基础沉垫、大型 石油储罐等，此类尺度较大的结构物本身的存在对波浪运动有显著影响，对入 射波浪的散射效应以及自由表面效应必须加以考虑。所以对于海工结构物上的 波浪力，一般依据结构物尺度是否对波浪运动有显著影响，将问题分为与波长 相比尺度较小和较大两类来分别考虑。 对十相对尺度较小的海工结构物，采用1 9 5 0 年南m o r i s o n 等人提出的方法 计算波浪力已有较满意的结果，其关键在于选定一种适宜的波浪理论和相应的 拖曳力系数和惯性力系数。对于相对于尺度较大的海工结构物上的波浪力计算， 目前采用的有两种分析方法。第一种方法，考虑绕射效应的理论分析。即绕射 理论。它由马哥卡姆( m a cc a r n y ) 和富克斯( f u c h s ) 等在1 9 5 4 年提出。他假 定流体是不可压缩的理想流体，运动是有势的，将结构物边界作为波动着的流 体边界的一部分，先找出结构物边界上结构物对入射波的散射速度势和未受结 构物扰动的入射波的速